Os veículos em mercados desenvolvidos são caracterizados pela grande variedade e número de funções, em virtude do perfil de seus consumidores que veem na personalização do conteúdo dos veículos o seu diferencial de escolha na hora da compra. Logo, tecnologia e inovação têm grande peso para o consumidor destes mercados (9; 29).
Estes mercados também possuem legislações mais rigorosas, que obrigam as montadoras a desenvolver sistemas avançados de segurança, de economia de combustível e de controle de emissões (9; 29).
Este panorama explica a grande complexidade das arquiteturas elétricas nestes mercados, assim como sua utilização intensa de tecnologia de ponta e conceitos avançados de sistemas eletrônicos. Não é por acaso que todas as tendências apontadas na sessão 2.1.4 deste trabalho se referem aos produtos destinados a tais mercados, como o aumento no número de módulos eletrônicos e o uso intenso de sistemas multi-rede e distribuídos.
2.3.1.2 Fatores determinantes na seleção da arquitetura em mercados
desenvolvidos
Diante da grande complexidade das arquiteturas e da enorme variedade de tecnologias e estratégias de projeto disponíveis nos mercados desenvolvidos, a tarefa de escolher entre as diversas arquiteturas encontradas para dado projeto tornam-se cada vez mais complexas.
Diversos fatores e restrições entram em jogo na escolha da arquitetura elétrica em mercados desenvolvidos, quanto ao particionamento dos sistemas elétricos e eletrônicos e na alocação das funcionalidades dentro dos módulos eletrônicos (9; 29):
• Influência da mudança de requisitos: os requisitos para arquiteturas não são fixos; eles estão sempre mudando, evoluindo rapidamente conforme as necessidades do mercado, legislação, normas etc. As mudanças podem ser profundas a tal ponto de ser necessário rever o particionamento ou até o conceito da arquitetura adotada até então. Por isso, a análise do ciclo de vida do produto e sua possível evolução dentro deste período tornam-se fundamentais;
• Custo e tempo de lançamento de produto (time to market): determinado pela análise de quanto do veículo atual será herdado pelo próximo modelo. Obviamente, esta relação é diretamente proporcional ao grau de diferenciação deste novo veículo em relação ao seu antecessor. Caso seja apenas um projeto pequeno, de mudança apenas cosmética, conhecida na indústria automotiva como mudança de model year, ou quando um pouco mais intensa, como um
face-lift, este grau de aproveitamento será alto e o tempo de projeto será menor.
No caso de um projeto de um modelo completamente novo, maiores mudanças ocorrerão e maiores dificuldades serão encontradas na reutilização de componentes, conhecidos como carry-over components. As limitações do reuso de peças se encontram principalmente nas suas interfaces, afetando diretamente o particionamento a ser adotado pela arquitetura. Assim, com mais componentes novos a serem desenvolvidos, maior será o custo e o tempo necessário ao projeto.
Uma tendência evidenciada atualmente é a da iniciativa das montadoras em definir, elas próprias, a arquitetura de suas principais plataformas. Porém para os veículos especiais e de nicho, esta responsabilidade tem sido passada para os integradores de sistemas, além das responsabilidades de fornecimento, com o intuito de reduzir assim o tempo de lançamento ao mercado (32).
• Utilização de soluções de mercado ou proprietárias: interferem diretamente no custo e tempo de projeto. Apesar de serem feitas sob medida às necessidades da empresa ou projeto, soluções proprietárias tendem a ser mais demoradas e caras devido à maior necessidade de recursos no seu desenvolvimento e validação. As constantes mudanças de requisitos também podem ter um maior impacto nestas soluções. Soluções de mercado ou padrão podem trazer uma maior economia e menor tempo de desenvolvimento, mas podem diminuir a vantagem competitiva entre os produtos, principalmente entre montadoras;
• Manufatura e montagem: podem ser muito restritivas ao design. O tamanho físico do módulo ou componente, o tipo e tamanho dos conectores e do chicote elétrico e a localização física destes componentes pode impactar seriamente os processos e fases de montagem e produção.
• Alocação física dos módulos e componentes: além de impactar a manufatura e montagem de sistemas, a alocação física de componentes pode trazer consigo mudanças na arquitetura elétrica, nas estratégias de particionamento, como no caso da utilização ou não de sistemas de proteção primária para bateria, e também nos requisitos dos componentes envolvidos ou como no caso da alocação de módulos críticos, como o de controle do motor (ECM). A Figura 45 (48) mostra como os requisitos de temperatura e de vibração aumentam dependendo da localização do módulo, sendo muito mais rigorosos em aplicações onde o módulo é instalado diretamente no motor. Requisitos mais severos implicam em componentes mais robustos, o que, por sua vez, significa um maior custo agregado.
Figura 45 – Alocação física: aumento da severidade ambiental (temperatura e vibração) em uma ECM (módulo de controle de motor) conforme a escolha de sua localização física (48)
No caso do particionamento, fatores como a concentração de componentes e módulos em determinadas áreas também são determinantes, podendo ser feita de forma visual através da topologia de alocação do veículo, como mostra a Figura 46 (41);
Figura 46 - Exemplo de seleção de áreas de concentração (41)
• Peso: regulamentações nacionais e internacionais sobre emissões e economia de combustível são grandes limitantes para os fabricantes de automóveis (9). Requisitos de órgãos reguladores como o CAFE (Corporate Average Fuel
Economy), para carros de passeio e caminhões vendidos nos Estados Unidos,
afetam diretamente as metas e requisitos de peso e, portanto, desempenho dos veículos. Ainda que a eletrônica embarcada tenha pouca participação no peso total de um veículo, ela possui também metas de redução de peso a serem cumpridas.
• Qualidade, confiabilidade, manutenção: são fatores de grande importância no design de sistemas elétricos e eletrônicos. A indústria automotiva japonesa já emprega normas de qualidade, confiabilidade e manutenção em seus produtos desde o início dos anos 80. No entanto, como a melhoria destes fatores implica em aumento de custo, sua razão custo/benefício deve ser gerenciada, afetando o
design dos sistemas elétricos e eletrônicos.
Nada interessa que um veículo possua um sistema elétrico sofisticado se este não possuir uma manutenção rápida e de baixo custo. Quando esta situação prevalece, o sistema não se populariza entre os consumidores e nem entre as montadoras, pois acabam sendo obrigadas a adotar políticas de garantia mais custosas.
• Normas industriais: também têm grande importância na definição da arquitetura elétrica de um veículo, pois elas viabilizam algumas inovações e tendências de mercado fixam-nas na indústria automotiva, como no caso do crescimento da indústria de multimídia. Percebendo esta tendência, as principais montadoras se uniram e criaram a AMIC (Automotive Multimedia Interface Collaboration) com o intuito de estabelecer normas para definir os padrões de interface para sistemas multimídia automotivos, possibilitando assim tirar um maior proveito destes sistemas e da tendência de crescimento deste mercado.
Estas normas também afetam a alocação física das funções veiculares. Por exemplo, as normas da SAE dizem onde as interfaces para o motorista devem ser localizadas, como o interruptor de luz à direita da coluna de direção e os controles de ar condicionado à direita.
• Imagem da Marca: a marca de um veículo é um fator de muita influência no mercado automotivo. A marca é um diferencial em veículos, pois agrega as qualidades objetivas e subjetivas dos fabricantes ao produto. Muitos consumidores escolhem veículos cujo apelo reflita seus estilos, o que explica o
trabalho empregado pelas grandes montadoras para criação da imagem de suas marcas no mercado (32). Este fator é estendido aos seus sistemas, daí a importância das relações e parcerias com fornecedores e integradores.
• Estratégias de modularidade e plataformas de veículos: o compartilhamento de plataformas ou modularidade de sistemas do veículo trazem melhorias na qualidade e confiabilidade do produto, além do aumento da flexibilidade das linhas de montagem, o que pode ser traduzido também como redução de custos (56). Para a arquitetura, estas estratégias podem influenciar sua concepção, limitando algumas estratégias ou aumentando os requisitos e funções necessários.
Apesar de todos estes limitantes, o engenheiro de arquitetura conta com diversas alternativas a serem consideradas:
• Classificação funcional: A classificação funcional separa funções críticas de segurança das funções não relacionadas com segurança. Funções críticas são classificadas como Classe C. Alguns exemplos são lâmpadas de farol baixo e de freio, limpadores dianteiros, desembaçador dianteiro e airbag, entre outras. Estas funções normalmente possuem alimentação, fusíveis e aterramento exclusivos e sistemas de redundância para casos de falha, como no caso do acionamento do automático do farol baixo quando o interruptor de farol está inoperante. A separação destas funções tem ainda como objetivo evitar que todas as funções críticas fiquem concentradas em um único módulo ou que ocorra uma mistura de classes funcionais em um módulo (9).
• Opcionais levando em consideração penetração de mercado, definição de pacotes e volumes: Estas condições são fundamentais para a definição do grau de integração das funções veiculares. Tipicamente, se uma função aparece em mais de 50% das configurações existentes, acaba sendo mais interessante, do ponto de vista de custo, a integração desta função em um módulo que possua outras funções semelhantes (9), como no caso da função de destravamento remoto das portas ser executada pelo módulo de travamento elétrico, ou ainda das funções de levantamento de vidros e alarme serem executadas pelo mesmo módulo de travamento elétrico.
No entanto, quando o volume total de produção é considerado, pode fazer mais sentido manter módulos separados destas funções. Por exemplo, se a integração das funções de vidro, trava e alarme é predominante nos pedidos de varejo de um determinado veículo, mas este volume ainda é baixo quando comparado ao volume total produzido, imaginando que os pedidos de frotistas sejam a grande maioria e destes, a totalidade peça somente os sistemas de vidro e trava elétricos, provavelmente a integração da função alarme não seja a melhor escolha.
• Proliferação de peças: conceito bastante empregado no desenvolvimento de chicotes elétricos. A idéia é analisar a variação do conteúdo funcional do componente nas diversas variações de opcionais do veículo ou plataforma e definir se é mais viável utilizar um único componente para todos os casos, ou desenvolver um componente para cada aplicação. Em chicotes elétricos, assim como caixa de relés e fusíveis, este conceito é empregado com o intuito de reduzir o número de variações de chicotes, sem prejudicar o custo da configuração básica do veículo. Apesar de poder representar um aumento de custo de material empregado no chicote propriamente dito, a redução observada na complexidade da linha de produção e no gerenciamento e tamanho de estoque do fornecedor, pode trazer reduções significativas de custos, quando analisados o projeto e o contrato de fornecimento como um todo;
• Utilização de sistemas distribuídos e multiplexados: dizer que um sistema é distribuído e multiplexado significa dizer que sua eletrônica está fisicamente próxima aos seus componentes, sejam de entrada, como sensores, ou de saída, como atuadores, suas funções estão distribuídas entre diversos módulos, que se comunicam via rede serial, através da multiplexação de dados. Este tipo de configuração tem suas vantagens e desvantagens: conforme Rushton (9), suas vantagens são o custo e peso reduzido, devido ao compartilhamento de dados através de uma rede serial, isso tendo como base o mercado americano. As desvantagens seriam a maior dificuldade no diagnóstico e manutenção e na maior dificuldade de reutilizar seus componentes em outros veículos.
• Utilização de sistemas centralizados e discretos: Um sistema deste tipo normalmente possui poucos módulos eletrônicos, onde todas as entradas e
saídas são feitas por meio discreto (fios). Esta solução pode ser mais cara, porém seu diagnóstico é mais fácil. Este tipo de configuração é bastante comum na indústria de computação, porém não é tão comum na indústria automotiva devido ao seu custo e baixa flexibilidade.
• Isolamento de funções: sistemas isolados, e não integrados a outros sistemas, maximizam a integração funcional, pois todas as funções e dados necessários encontram-se dentro do próprio sistema, porém minimizam a interação entre módulos de funções não relacionadas. Esta isolação permite grande flexibilidade na adição ou remoção de funções. Além disso, pode trazer vantagens adicionais quando utilizadas simultaneamente em diversas plataformas de veículos que permitam a utilização deste tipo de configuração. Por outro lado, podem causar um alto custo em determinadas configurações de veículos (9).
Diversos exemplos deste tipo de sistema podem ser encontrados na indústria automotiva, como sistemas de controle de velocidade, sistemas de ABS e sistemas de áudio. Importante notar que todos estes exemplos são hoje definidos como sistemas opcionais nos veículos, onde a alta flexibilidade na adição e remoção da função é fundamental.
• Capacidade do hardware: a capacidade dos módulos adotados em um projeto também pode afetar a arquitetura e o particionamento dos sistemas eletrônicos. Um exemplo ocorre quando se imagina que um módulo seja equipado com uma bateria interna para evitar a perda de dados em determinadas condições. Em determinado momento, torna-se necessário utilizar a mesma estratégia em todos os outros módulos. Ao invés de introduzir um sistema de bateria em cada módulo, pode-se fazer com que o sistema deste módulo supra as necessidades dos outros módulos, caso tenha capacidade para isso. Esta solução pode resultar em uma redução de custos significativa, pois não requer grandes alterações nos demais módulos, apesar de aumentar a complexidade do sistema, devido ao aumento do número de circuitos, e tornar o seu diagnóstico e manutenção mais difíceis, pois a maior probabilidade de falhas devido ao maior número de terminais e conectores. Outro exemplo é a utilização de processadores mais potentes (de 32bit) no módulo de controle de carroceria (BCM). Isto causaria o aumento do custo deste módulo, porém poderia diminuir o
custo em outros módulos e componentes relacionados, como no painel de instrumentos e no controle climático, uma vez que o processamento de suas funções não precisaria mais ser realizado neles (32).
• Classificação do veículo quanto ao espectro de conteúdo (da versão básica à versão completa): outro fator que tem impacto na definição da arquitetura é o particionamento dos sistemas. De acordo com a classificação do veículo, certas funções tornam-se básicas, outras opcionais. Um veículo de luxo possui muito mais funções adicionais e opcionais do que um veículo básico (popular). Por esta razão, veículos de luxo podem ter arquiteturas e particionamento diferente de um carro popular ou de um utilitário.
Ainda dentro de uma plataforma, ou de uma família de veículos, encontramos níveis de opcionais diferentes quando comparamos a configuração do veículo de entrada (versão básica ou low-end) à configuração de luxo (versão completa ou
hi-end) (29). A arquitetura deve ter flexibilidade suficiente para atender todas as
situações, sem comprometer o custo/benefício da plataforma ou família de veículos.
• Homologação veicular: veículos destinados para mercados distintos, principalmente América do Norte, Europa e Japão, possuem diferentes requisitos de funções ou modos de funcionamento diferenciados para as funções. Devido a estas diferenças entre mercados e órgãos regulatórios, o fator “país” pode ser considerado como um opcional – ainda mais quando se trata de modelos globais de veículos ou a serem “nacionalizados” para novos mercados (9).